气候变暖下东北地区春玉米生产潜力变化分析

在气候变暖的背景下,依据中国东北地区101个气象站点多年逐日气象数据,利用数理统计分析方法,研究了东北地区1971~2007年春玉米生长季气候变化趋势,包括春玉米生长季平均气温、太阳辐射总量和降水量的变化趋势;利用GIS技术分析了东北地区春玉米光温生产潜力及气候生产潜力的时空变化。结果表明,东北地区春玉米生长季气温呈波动上升趋势,其幅度超过全国平均值,太阳辐射呈减少趋势,降水量年际变化较大,有波动下降趋势。在气温不断升高的情形下,东北地区春玉米的光温生产潜力有所增加,但由于各地区间降水的差异,东北地区春玉米的气候生产潜力在各地区变化差异较大,21世纪以来相对于20世纪70年代,南部地区气候生产潜力减少,而中部地区增加。为此,就如何利用东北地区春玉米生产潜力的特点,以及提高春玉米的实际产量提出了一系列建议措施。     

作物生产潜力变化的区域差异——以陕西省为例

作物生产潜力变化具有明显的区域差异性，亟需针对不同地理单元实施有效应对措施和调控策略。选择陕西省三大地理单元（陕北高原、关中盆地和秦巴山区）为研究对象，运用全球生态区模型（GAEZ）分析了陕西省不同地理单元作物生产潜力变化趋势，探讨了不同作物生产潜力变化的区域差异，辨识出影响不同作物生产潜力变化的主要因素，结果显示：（1） 1980—2015年间，陕西省玉米生产潜力总量增加了150.55×10⁴ t，小麦生产潜力总量则下降了402.69×10⁴ t。（2） 关中盆地的玉米和小麦生产潜力皆最大，陕北高原次之，秦巴山区的玉米和小麦生产潜力皆最小；陕北高原和秦巴山区的玉米生产潜力皆表现出先增加后减小再增加的变化趋势，关中盆地的玉米生产潜力则先减小后增加再减小；关中盆地和秦巴山区的小麦生产潜力都呈下降趋势，陕北高原的小麦生产潜力则有所提高。（3） 土地利用变化呈现减产效应，这一效应在关中盆地尤为显著，其次为陕北高原；气候变化导致玉米生产潜力增加，使小麦生产潜力下降；气候变化对不同地理单元的影响也不相同，在陕北高原表现为增产效应，在关中盆地和秦巴山区则为减产效应。（4） 在陕北高原，气候变化的增产效应是玉米和小麦生产潜力提高的主要原因，气候变化对玉米生产潜力的影响大于对小麦的影响，耕地向草地、林地和建设用地的转化是降低作物生产潜力最主要的土地利用变化因素；在关中盆地，作物生产潜力的变化主要是受气候变化的影响，小麦受气候变化的影响较玉米为大，以建设用地占用耕地为特征的土地利用变化对玉米生产潜力的影响大于对小麦的影响；在秦巴山区，土地利用变化是玉米生产潜力变化的主要原因，而小麦生产潜力的变化主要受气候变化影响。     

1990-2010年中国耕地变化对粮食生产潜力的影响

1990年以来,在国家生态环境保护工程实施、经济快速增长等因素的影响下,中国耕地数量与空间格局发生了巨大变化,对粮食生产潜力造成了巨大影响。本文采用GAEZ模型,结合中国气象、地形、土壤等因素,定量分析了中国耕地粮食生产潜力空间特征以及1990-2010年中国耕地变化对粮食生产潜力的影响。主要结论如下：① 2010年全国耕地粮食生产潜力总量为10.55亿t,全国耕地平均粮食生产潜力为7614 kg/hm²。中国耕地粮食生产潜力存在显著的空间差异,总体表现为东部高而西北部较低的趋势,并且高值区主要分布在长江中下游地区和华南区。② 1990-2010年的20年间,中国耕地粮食生产潜力变化表现出明显的时空差异,总体呈现南减北增、总量减少的基本特征。新增耕地粮食生产潜力的重心逐步由东北向西北转移。耕地粮食生产潜力总量净减少297万t,占2010年全国实际粮食总产量的0.29%。③ 在1990-2000年与2000-2010年两个时期,耕地变化对耕地粮食生产潜力影响差异明显。前10年,耕地粮食生产潜力总量净增加1011万t,主要集中在东北平原区和北方干旱半干旱区;后10年,耕地粮食生产潜力总量净减少1308万t,主要集中在长江中下游地区和黄淮海平原区。从总体看,近20年来耕地粮食生产潜力总量增加主要是由林、草地和未利用土地开垦所导致,而耕地粮食生产潜力总量减少主要是由城市扩展和退耕还林还草所导致。     

近50年气候驱动下东北地区玉米生产潜力时空演变分析

利用GAEZ模型,综合考虑气象、土壤、地形等因素,估算1961-2010年东北玉米生产潜力,分析50年来气候变化导致的东北玉米生产潜力时空格局演变特征。研究发现：① 1961-2010年,东北玉米平均生产潜力波动较大,整体上以每10年80 kg/hm²的线性倾向率增加;② 由于气候变化,20世纪末、21世纪初玉米生产潜力变化较为频繁;③ 玉米生产潜力总值黑龙江省始终处于最高,近50年间增长幅度黑龙江省>吉林省>辽宁省;④ 近50年来,黑龙江省玉米生产潜力的波动较为剧烈,吉林省和辽宁省相对稳定;⑤ 近50年东北玉米适宜种植区有所增加,主要集中在黑龙江省西北地区,高生产潜力区域增加明显,呈现北移趋势。研究可为东北地区高效利用气候和土地资源,优化玉米生产布局提供依据。     

基于物质量评估的贵州南部地区生态系统服务及其县域差异比较

以贵州南部地区为例,对涵养水源、固碳释氧、净化大气环境、保育土壤和生物多样性保护5个功能类别共14项指标的生态系统服务物质量进行了区域尺度和县域尺度上的估算。结果表明：① 贵州南部地区林草生态系统年调节水量145.41×10⁸m³,年固碳量和年释氧量分别为819.96×10⁴t和1 538.48×10⁴t,年提供负离子达2.32×10²⁵个,年吸收二氧化硫(SO₂)、氟化物(F)、氮氧化物(NO_X)分别达到58.07×10⁴t、1.29×10⁴t和7.76×10⁴t,年滞尘量1.04×10⁸t,年固土总量9.07×10⁸t,年保育N、P、K以及有机质量分别为184.81×10⁴t、59.26×10⁴t、1 138.80×10⁴t以及4 045.85×10⁴t,平均生物多样性综合评价指数为54.87;② 各类生态系统服务物质量均表现出明显的空间分布趋势,整体表现为东高西低,南高北低;③ 县域尺度上,黎平县、榕江县、从江县和望谟县提供的生态系统服务物质量最多,普定县、三穗县、长顺县和丹寨县则最少;就生态系统服务供给能力而言,雷山县、望谟县、榕江县和从江县最强,兴仁县、普定县、长顺县和贞丰县则最弱。     

1951—2000年中国气候生产潜力时空动态特征

气候生产潜力时空动态一直是国内外全球变化研究的热点,基于1951-2000年全国范围气象栅格数据计算气候生产潜力,在此基础上,利用GIS空间分析技术和小波分析方法探讨全国以及9大土地潜力区气候生产潜力的空间格局特征与多时间尺度特征.结果表明:50年间中国气候生产潜力单产平均值为770 g·m-2·a-1,折算为总量达73.12×108t/a;全国及9大土地潜力区气候生产潜力的多时间尺度特征比较复杂,3～5年周期的年际变化和30年左右周期的年代际变化均较显著,而10～11年周期的变化则仅在部分区域有所表现;总的来说,1951-2000年,华北地区、黄土高原、内蒙古中部及辽河平原等是我国气候生产潜力时空动态特征最突出的区域.     

河西走廊近40 a气候生产潜力特征研究

 根据河西走廊20个气象台站1971—2006年4—9月温度和降水资料,采用Thornthwaite Memorial模型计算气候生产潜力,使用Mann-Kendall检验、EOF经验正交函数、敏感性分析等研究其时空变化特征。分析表明,河西走廊农业气候资源与地理分布显著相关,东南部明显优于西北部。气候变化显著趋暖,气候生产潜力减少趋势明显,减少中心向西偏移,严重限制了西部农业发展。气候生产潜力对温度响应东部比西部明显,特别是祁连山东段增暖增益显著;对降水响应西部比东部明显,尤其是西部及临近沙漠边缘地带干旱区增湿增益显著; 暖湿效应使气候生产潜力普遍增加。在农业集中区降水对气候生产潜力影响比温度显著,从根本上看降水是研究区域农业增产的首要因素。     

新疆草地气候生产潜力变化特征及对气候响应的预测研究

基于新疆地区52个气象站点1959-2008年逐月气温、降水资料,利用Miami模型和Thornthwaite Memorial模型、线性趋势线、ArcGIS反距离权重插值等方法,对新疆草地生产潜力的时空变化特征进行分析。结果表明,近50 a来,新疆草地温度、降水、蒸散生产潜力均表现为显著增加,且四季和生长季各生产潜力也呈线性增加,夏季和生长季增幅最大,其次,草地生产潜力以及增幅均表现为北疆高于南疆,基本为由南向北递增,并和多年平均降水量变化一致。其中,水分条件是影响新疆草地生产潜力的主导因素。根据二元一次线性回归方程计算得出,年平均气温每升高/降低1 ℃,草地的年气候生产力增加/减少17.309 kg·hm-2·a-1,年降水量每增加/减少1 mm,草地的年气候生产力增加/减少24.392 kg·hm-2·a-1。     

气候变化背景下中国玉米生产潜力变化特征

玉米作为中国第一大粮食作物,探究其生产潜力在气候变化背景下的时空变化特征对中国有效应对气候变化具有重要意义。论文结合全球农业生态区模型、极点对称模态分解方法和集对分析方法,探讨了中国玉米生产潜力的周期性波动特征及长期变化趋势,进而分析了其空间格局演变过程。结果表明：1960—2010年间,中国玉米生产潜力呈增加趋势,由1960年代的9.10亿t增至2000年代的9.45亿t左右。在年际尺度上,中国玉米生产潜力主要以准3 a和准5 a的周期进行波动;在年代际尺度上,存在准10 a和准20 a的波动周期。其中,准3 a的周期波动是中国玉米生产潜力长时间变化的最主要特征,这主要是受年降水量变化的影响。从空间格局来看,中国玉米生长适宜区主要集中在加格达奇—锡林浩特—临河—西宁—天水—中甸沿线以东;1960—2000年间,玉米生产潜力界线在中国东北部和临河—西宁沿线发生了较为明显的移动。华北平原、辽河平原、四川盆地等地区的玉米单产潜力变化趋势具有较强的一致性,松嫩平原、三江平原、关中盆地、长江中下游平原等地区的玉米单产潜力变化过程与上述地区恰好相反。在这2类地区,玉米单产潜力的变化均较显著,但变化方向在年代际尺度上具有交替性。     

黄土高原北部丘陵沟壑区近160年土壤侵蚀量演变及其对ENSO事件的响应

对形成于1851~1861年的靖边（JB）聚湫内22.75 m沉积序列进行完整钻探,并基于XRF Core Scanning的元素分布划分旋回和年际冻融层,在高精度定年的基础上计算旋回及年际产沙量和产沙模数。结果表明：JB聚湫沉积序列由126个旋回叠加而成,且形成于1855~2014年的78 个年份中。JB聚湫内旋回产沙量和产沙模数变化范围分别为0.27×10 ⁴~22.44×10 ⁴t和0.09×10 ⁴~7.82×10 ⁴t/km ²;年际产沙量和产沙模数范围分别为0.27×10 ⁴~90.73×10 ⁴t/a和0.09×10 ⁴~23.40×10 ⁴t/(km ²·a)。 ENSO事件显著影响JB流域强降水作用下的侵蚀产沙,且在El Ni?o次年和La Ni?a年份发生侵蚀产沙的频率较高,可能是这些年份中东亚季风增强后带来更多强降水事件的结果。研究结果有效延长了黄土高原北部丘陵沟壑区小流域土壤侵蚀演变历史,充分理解ENSO事件驱动下该地区侵蚀产沙的响应,为黄土高原北部坝库建设、水土流失治理和防洪减灾等提供理论依据。     

Climatic Changes Dominant Interannual Trend in Net Primary Productivity of Alpine Vulnerable Ecosystems

The Three-River Headwaters (TRH), which is the source area of Yangtze River, Yellow River and Lancang River, is vulnerable and sensitive, and its alpine ecosystem is considered an important barrier for China’s ecological security. Understanding the impact of climate changes is essential for determining suitable measures for ecological environmental protection and restoration against the background of global climatic changes. However, different explanations of the interannual trends in complex alpine ecosystems have been proposed due to limited availability of reliable data and the uncertainty of the model itself. In this study, the remote sensing-process coupled model (GLOPEM-CEVSA) was used to estimate the net primary productivity (NPP) of vegetation in the TRH region from 2000 to 2012. The estimated NPP significantly and linearly correlated with the above-ground biomass sampled in the field (the multiple correlative coefficient R² = 0.45, significant level P < 0.01) and showed better performance than the MODIS productivity product, i.e. MOD17A3, (R² = 0.21). The climate of TRH became warmer and wetter during 1990-2012, and the years 2000 to 2012 were warmer and wetter than the years1990-2000. Responding to the warmer and wetter climate, the NPP had an increasing trend of 13.7 g m^-2 (10 yr)^-1 with a statistical confidence of 86% (P = 0.14). Among the three basins, the NPP of the Yellow River basin increased at the fastest rate of 17.44 g m^-2 (10 yr)^-1 (P = 0.158), followed by the Yangtze River basin, and the Lancang River, which was the slowest with a rate of 12.2 g m^-2 (10 yr)^-1 and a statistical confidence level of only 67%. A multivariate linear regression with temperature and precipitation as the independent variables and NPP as the dependent variable at the pixel level was used to analyze the impacts of climatic changes on the trend of NPP. Both temperature and precipitation can explain the interannual variability of 83% in grassland NPP in the whole region, and can explain high, medium and low coverage of 78%, 84% and 83%, respectively, for grassland in the whole region. The results indicate that climate changes play a dominant role in the interannual trend of vegetation productivity in the alpine ecosystems on Qinghai-Tibetan Plateau. This has important implications for the formulation of ecological protection and restoration policies for vulnerable ecosystems against the background of global climate changes.     

Quantitative Assessment of the Effects of Climate Change and Human Activities on Grassland NPP in Altay Prefecture

Grassland degradation in Altay Prefecture is of considerable concern as it is a threat that hinders the sustainable development of the local economy and the stable operation of the livestock industry. Quantitative assessment of the relative contributions of climate change and human activities, which are considered as the dominant triggers of grassland degradation, to grassland variation is crucial for understanding the grassland degradation mechanism and mitigating the degraded grassland in Altay Prefecture. In this paper, the Carnegie-Ames-Stanford Approach model and the Thornthwaite memorial model were adopted to simulate the actual net primary productivity (NPP_A) and potential net primary productivity (NPP_P) in the Altay Prefecture from 2000 to 2019. Meanwhile, the difference between potential NPP and actual NPP was employed to reflect the effects of human activities (NPP_H) on the grassland. On this basis, we validated the viability of the simulated NPP using the Pearson correlation coefficient, investigated the spatiotemporal variability of grassland productivity, and established comprehensive scenarios to quantitatively assess the relative roles of climate change and human activities on grassland in Altay prefecture. The results indicate three main points. (1) The simulated NPP_A was highly consistent with the MOD17A3 dataset in spatial distribution. (2) Regions with an increased NPP_A accounted for 70.53% of the total grassland, whereas 29.47% of the total grassland area experienced a decrease. At the temporal scale, the NPP_A presented a slightly increasing trend (0.83 g C m^?2 yr^?1) over the study period, while the trends of NPP_P and NPP_H were reduced (?1.31 and ?2.15 g C m^?2 yr^?1). (3) Compared with climate change, human activities played a key role in the process of grassland restoration, as 66.98% of restored grassland resulted from it. In contrast, inter-annual climate change is the primary cause of grassland degradation, as it influenced 55.70% of degraded grassland. These results could shed light on the mechanisms of grassland variation caused by climate change and human activities, and they can be applied to further develop efficient measures to combat desertification in Altay Prefecture.     

青海北川河流域径流变化的机理研究——基于模型和统计两种方法

气候变化和下垫面变化是影响河道径流的两大驱动力,研究两者对径流的影响有利于深入理解流域水文过程,为水资源管理提供科学依据。鉴于利用不同方法获得的结果存在一定程度的差异,有必要使用多种方法进行交叉验证。论文基于Budyko水量平衡法和新增水库模块的分布式水文模型(DHSVM)法量化了气候变化和下垫面变化对青海省北川河流域径流变化的贡献。结果表明：① 自1960年以来流域出口流量以每年0.037 m³/s的趋势下降,突变年份发生在1969年。② 2种方法的分析结果均表明,年代际尺度上,气候变化对径流影响的贡献率由高到低依次为：1990—1999年>2000—2009年>1970—1979年>1980—1989年=2010—2019年,且下垫面变化是1970—2019年流域出口径流变化的主导因素,对应的贡献率分别为94.58% (Budyko法)和65.68% (DHSVM法)。③ Budyko方法只能揭示流域整体的变化,而DHSVM方法能够体现水文过程变化的时空差异,模型结果表明上中游、下游地区的年平均径流变化分别受气候变化、下垫面变化主导;流域出口处月径流变化则对下垫面条件中的水库调节更敏感。此外,文中就2种方法量化结果差异的原因也展开了讨论。     

1990-2010年中国土地覆被变化引起反照率改变的辐射强迫

土地覆被变化通过改变地表反照率而影响地表辐射收支与能量平衡,从而对区域和全球气候产生影响。本文利用高时空分辨率遥感数据分析1990-2010 年中国土地覆被变化改变地表反照率的时空驱动机制,并计算全国50 个生态区地表反照率变化导致的年际尺度辐射强迫,揭示土地覆被变化在生态区尺度上影响气候变化的生物地球物理机制。结果表明:1990-2010 年全国土地覆被变化以耕地开垦、草地沙化、城市化等人类土地利用活动导致的土地覆被变化最为明显,全国草地与林地面积分别减少了0.60%和0.11%;建设用地和耕地面积分别增加了0.60%和0.19%。全国土地覆被变化通过改变地表反照率引起的平均辐射强迫为0.062 W/m²,表现为增温的气候效应,但在生态区尺度辐射强迫空间差异很大。京津唐城镇与农城郊农业生态区主要土地覆被变化为耕地转为建设用地,引起地表反照率降低了0.00456,产生0.863 W/m²的辐射强迫,表现为增温的气候效应;而三江平原温带湿润农业与湿地生态区主要的土地覆被变化为林草地转为耕地,引起地表反照率升高了0.00152,产生-0.184 W/m²的辐射强迫,表现为降温的气候效应。     

关中-天水经济区土地利用变化对净第一性生产力影响测评

净第一性生产力是表现陆地生态过程的关键参数,土地利用变化深刻影响区域的净第一性生产力。选取关中-天水经济区为研究区域,尝试对30 m精度的1980-2011年4期9月份左右Landsat 7的遥感影像以及CASA模型来估算关中-天水经济区的净第一性生产力,并用2011年遥感图像解译获得该年的土地利用数据,以及土地利用变化情况。在此基础上分析土地利用变化对净第一性生产力的影响,并且对关天经济区各县市净初级生产力进行了对比和分析。结果表明：1980-2011年,关中-天水经济区土地利用耕地、林地、居民建筑用地变化明显,南部秦岭山区多为林地与草地,净第一性生产力高达625.37 g C·m-2·a-1,而关中平原与天水地区人口居住区与开垦区净第一性生产力明显下降,最低达47.78 g C·m-2·a-1,人为的开发与利用土地降低了区域的净第一性生产力。所以,要继续施行落实退耕还林政策,控制城镇用地较大速度的扩增,以保持好区域的生态服务功能。     

土地利用变化对土地生产力的影响研究进展

土地利用变化对土地生产力的影响是土地利用/覆被变化(LUCC)效应研究的重要内容之一。本文基于对土地利用变化和土地生产力概念的辨析, 着重从土地利用变化对土地生产潜力、粮食生产能力和土壤质量3 个方面的影响, 总结梳理了当前的主要研究内容和方法, 探讨了研究的影响尺度特征。最后指出今后的研究应加强土地利用结构、方式和强度变化对小尺度范围内耕地生产力的影响, 强化不同尺度的综合以及空间分析和动态评估方法的应用。     

古尔班通古特沙漠南缘荒漠化过程演变的景观格局特征分析

荒漠化过程是荒漠化研究的核心问题。以1977年MSS,1990年、2010年TM和2001年ETM+四个时期为遥感影像数据源,研究了近40 a古尔班通古特沙漠南缘荒漠化过程演变的景观格局特征。结果表明:(1)近40 a古尔班通古特沙漠南缘荒漠化过程演变经历了微弱逆转-加剧-逆转变化,荒漠化处于正逆交替动态变化中,总体上呈逆转趋势。(2)不同时期荒漠化过程演变格局特征呈波动性变化,以2001年为分水岭。近40 a来轻度和中度始终为主导作用,且有增强趋势。(3)年降水量与归一化植被指数(NDVI)相关系数达0.805,有明显正相关关系。年降水量对荒漠化具有显著作用,且其影响明显大于年均气温。(4)荒漠化过程景观格局特征对年降水量有明显响应。不同时期荒漠化过程演变中斑块密度随着降水量的增加总体呈减小趋势,年降水量达到184.4 mm,斑块密度趋于稳定,景观破碎度和景观异质性趋于稳定。随着降水的增加,轻度荒漠化类型破碎度呈逐渐减小趋势;中度荒漠化土地破碎度呈波动式变化;重度荒漠化破碎度波动下降趋势。(5)近40 a来气候变化是古尔班通古特沙漠的荒漠化与景观格局演化主要因素,但人为因素不容忽视,预示着未来干旱区荒漠化处于继续逆转趋势中。     

城市化过程中土地利用变化对区域滞洪库容量的影响研究——以南京市河西地区为例

通过对两期LandsatTM遥感影像进行监督分类,提取近20年南京市河西地区土地利用变化状况,用转移矩阵、迁移概率和迁移量比重模型来说明河西地区的土地利用变化,并根据地表状况和土壤的压实程度提出了不同土地利用类型的区域滞洪库容量计算模型,从而估计土地利用变化对水分调节功能的影响。研究发现:①河西地区土地利用变化的主要特征为以其他土地利用类型向建筑用地的转移为主,旱地内部的转移和水田向旱地(主要是菜地)的转移也占有一定的比重;②由于地表封闭和种植结构的改变导致区域滞洪库容量大量损失,1986年到2003年总滞洪库容量减少了550.40万m³其中因建筑用地面积的增加使地表封闭而减少的滞洪库容量高达482.15万m³,相当于整个研究区域86mm水深;③局部范围的土壤压实只对局部的滞洪库容量产生影响而对区域的总的滞洪库容量的影响不大,1986年到2003年因土壤压实而减少的滞洪库容量只有3.12万m³,只占总滞洪库容减少量的0.54%。研究表明减少地表封闭是防止城市瞬时洪涝灾害的重要方面。